棉纤维成熟度测试

张晓超

摘要：本文归纳列举了目前国内外对棉纤维成熟度检测的方法，包括计算机图像处理技术、传感技术、视频显微镜技术、偏振光测定法、HVI测量方法以及AFIS测量方法，并预测纤维成熟度检测技术进一步的研究方向。

关键词：棉纤维；成熟度；检测技术

棉纤维成熟度即棉纤维在生长发育过程中，纤维素在次生脆壁中积累和加厚的程度。它与棉纤维色泽、强力、细度、转曲、弹性、吸湿、染色等理化性能直接相关。一般情况下，成熟度好的棉纤维色泽亮、强力高、吸湿小、转曲多、弹性大、染色好、保暖良、细度粗，否则相反。因此，成熟度是反映棉纤维品级的综合指标，是决定棉纤维使用价值的重要依据，是检验棉纤维品级的根本条件[1]。因此，成熟度检测在纤维检测中也显得尤为重要，目前，国内外都有人在研究测试纤维成熟度的方法，甚至研制成熟度测试软件[2]。

1 计算机图像处理技术

所谓计算机图像处理，是指利用数字计算机及其他有关数字技术，对图像施加某种运算和处理，从而将图像信号转换成数字格式的过程[3-4]。

测量棉纤维成熟度的理论基础是把棉纤维的截面周长作圆周画图，以此圆的直径作为纤维的理论直径来计算纤维的周长和面积，可用图像处理技术提取纤维截面的外周长度和面积。应用计算机图像处理技术测试纤维成熟度的基本测量过程是：首先，用哈氏切片法制作棉纤维切片，再运用CCD摄像传感器，利用其内部的光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的纤维光学图像转换成电信号“图像”，计算机用MATLAB对纤维截面图像做处理，进行空间域操作，从而增强对比度并用图像分割技术去除噪声，然后进行二值转换后提取周长与面积等特征值，最后计算出成熟度比。

综合国内外研究应用的情况，图像处理技术在纺织测试领域的主要发展趋势为：（1）静态测试向动态测试发展；（2）二维检测向三维测试开拓；（3）采用图像图形结合的方法进行三维成像、三维造型将得到很大的发展；（4）单参数的检测向集散系统发展；（5）黑白图像分析向真彩色图像分析过渡；（6）在线质量检测在计算机集成制造中获得应用将引起广泛关注。

2 传感技术

美国研制并投入使用了Peyer-McI15500棉纤维测试系统。它由纤维长度仪、纤维细度及成熟度仪、纤维强度伸长度仪、纤维叶屑含量测试仪、纤维色特征测试仪、纤维含糖量测试仪以及条形码读取记录器等多台独立的仪器并联组台而成。

3 视频显微镜技术

测试原理：视频变焦显微镜具有超高连续可调的放大倍率并可连续变焦，使用与视频显微镜配套兼容的PinnacleStudio8.0图像采集软件，采集在计算机屏幕上观察到的一定放大倍数下的棉纤维纵向截面图像；再利用与视频显微镜配套兼容的Imager-Prop—lus图像分析软件，测量棉纤维的中腔宽度和胞壁厚度，由此计算平均成熟系数、未成熟纤维百分率等。

测试步骤：（1）试样制片：从试样棉条的纵向取样，重约4mg～6mg，用手扯法加以整理使成一端整齐的小棉束。先用稀梳后用密梳从棉束整齐一端梳去16mm以下的短纤维。将揩干净的载玻片放在黑绒板上，在载玻片边缘涂些胶水，夹取数根纤维均匀地排在载玻片上，一直把纤维排完为止，待胶水干后，用细针把纤维整理平直，然后用胶水粘住纤维的另一端，轻轻地在纤维上放置盖玻片。（2）采集棉纤维纵向图像：选择高倍物镜，使用透射光源，将棉纤维纵向片子放置在视频显微镜载物台上，打开图像采集软件，调节视频显微镜放大倍数和焦距至计算机屏幕上棉纤维纵向图像清晰，采集图像保存。（3）定标尺：使用Imager-Proplus图像分析软件，打开在采集棉纤维纵向图像时的放大倍数下所采集的测微尺图像文件，进行定标。（4）运用图像分析软件对棉纤维进行测量。最后计算：

腔宽壁厚比值=腔宽/壁厚

试样平均成熟系数=Σ各根棉纤维的成熟系数/N定的总根数

未成熟纤维百分率=（成熟系数在0.75以下的纤维根数/测定的总根数）×100%

4 偏振光测定法

测试原理：偏振光干涉色法是用偏振光显微镜来测定棉纤维成熟度，利用棉纤维的双折射性质，在偏振光显微镜中观察棉纤维的干涉色。不同成熟度的棉纤维胞壁厚度的不同，导致光程差不同，棉纤维呈现出不同的干涉色，根据棉纤维的干涉色来判定纤维的成熟度。

在偏振光检测棉纤维成熟度的应用中，需要对棉纤维进行两种成熟度的检测：

（1）由激光装置通过偏振片给棉纤维照射激光，由硅电池转换成相应的光电流，通过A/D模数转换通道被输入单片机，其数值经过特定的成熟度算法与标准值比较最后通过微型打印机输出。

（2）在没有偏振片的情况下，检测通过单位面积的棉纤维的透射激光，然后由硅电池转换成相应的光电流并经过模数转换后进入单片机，修正计算后输出打印结果。

5 HVI以及AFIS测量方法

（1）HVI：大容量棉花品质测试系统可称是集高速度、大容量、自动化、多功能、计算机化测试技术于一体的典例。该系统的主要技术创新点：①自动化程度高：全自动纤维取样系统，主体测试部分几乎全部由仪器自动操作，人为因素降到最低，减轻了试验人员的劳动强度，使测试人员由最初的8人减到1人。②测试速度快：每份试样测试全套约20s～30s，每天每班（8h）一套仪器可检800～1000份试样，因而有可能对棉花逐包取样，全面检验。③测试试样大：以前常规测试棉纤维样品大部分每种只测数毫克，现在每包取样10克左右，测试结果代表性好。④测试指标多：可以一次性取样检测出棉纤维的长度、长度均匀度、强力、伸长、马克隆值、成熟度、含水、色泽、杂质等指标，测试棉纤维性能比较全面。⑤计算机管理及统一处理数据：由于HVI的这些技术特点，目前已逐步被国际纺织企业所认同，该测试仪器亦得到了快速发展。又如激光式羊毛直径快速测试仪FDA，采取快速单根测试技术，由于它能快速提供更详尽的个体和分布数据，以弥补总量的不足，亦有相当的实用意义。

（2）AFIS：UsterAFIS纤维测试系统不仅能快速、可靠地测试棉纤维的成熟度、细度和未成熟纤维所占比例，而且由于是逐根测量，还可给出纤维成熟度和细度的分布。这对配棉中控制原棉性能差异，保证原料和成纱质量本质参数的稳定，减少染色色差和疵点有着重要意义。

AFIS成熟度和细度的测试方法是利用先进的光学测试技术确定纤维的形状，精确测定每根单纤维的周长和壁厚面积。AFIS唯一确定每根单纤维胞壁充实度，准确反映纤维成熟度，并能测试出未成熟纤维含量，亦即成熟度分布直方图。在附加特定的软件系统后AFIS可以同时测定棉样的棉结、杂质、纤维长度、直径、细度、未成熟纤维含量（IFC）、成熟度比等性能指标。

6 结语

纤维成熟度测试是棉织物生产的重要组成部分，它的测量有很多方法：有双压缩气流测量法、偏振光分析法、显微镜法、离心法、近红外线光谱测定法、图像分析法等。其中图像分析对成熟度测量的纵向图像和部分图像分析都适合。

测试技术的发展正是科学技术进步的标志，科学技术的进步必定带动测试技术的更大发展。高速度、大容量、自动化、多功能、计算机化的纺织测试技术将成为发展方向的主流，集计算机技术、激光技术、CCD成像技术、图像识别技术于一身的新型纺织测试技术正以日新月异的态势迅猛发展。了解和应用先进的测试技术，对于纺织品的生产、纺织品的贸易具有重要的实际意义。

参考文献：

[1] 李同英.棉纤维成熟度仪系统的应用研究[J].微计算机信息，2008，9（24）：208-210.

[2] 曲梅，杨雄.计算机图像技术在纤维成熟度检测方面的研究[J].农业网络信息，2008，（4）：137-138.

[3] 狄炜，徐伯俊.数字图像处理在纺织中的应用及发展[J].上海纺织科技，2002，6（30）： 61-62.

[4] 郭燕蕾，顾平.纤维和纱线检测中的图像处理技术[J].江苏丝绸，2008，（2）：1-4.

（作者单位：塔城地区纤维检验所）endprint